zrównoważonego rozwoju w sposób bardziej spektakularny niż beton zwykły.
beton hydrotechniczny – kon-SyStencJa i SPoSoby wbudowania Konsystencja mieszanki betonowej ma znaczny wpływ na właściwości betonu stwardniałego. Masywny beton hydrotech-niczny powinien być układany w możliwie gęstej konsystencji, aby ograniczyć lub na-wet wyeliminować zjawisko osiadań pla-stycznych w dużych blokach. W środowi-sku hydrotechnicznym doskonale znany jest też fakt, że prawidłowo zagęszczone betony o konsystencjach od gęstoplastycznych do plastycznych są bardziej trwałe niż upłyn-niane do konsystencji ciekłych. Oczywiście nie wolno też stosować konsystencji zbyt gęstych, ponieważ powoduje to powsta-wanie poważnych wad strukturalnych be-tonu w postaci „raków” i niedowibrowań.
Dlatego też precyzyjne określenie wymaga-nej konsystencji w momencie wbudowania mieszanki betonowej oraz sposobu jej wbu-dowania i zagęszczenia stanowi jedno z naj-ważniejszych zadań projektanta.
Jedną z przyczyn gwałtownego pogor-szenia się jakości betonów w latach 70. XX w.
było wprowadzenie pomp do betonu bez odpowiedniego zaprojektowania receptur betonu i zastosowania właściwych domie-szek upłynniających. Trend ten dotyczył też betonów hydrotechnicznych, zwłaszcza nie-masywnych, co prowadziło w pierwszej ko-lejności do nadmiernego rozwoju rys [20].
Niestety w ostatnim okresie obserwujemy wzmożone tendencje do wbudowywania pompami niemal każdego rodzaju betonu, w tym hydrotechnicznego. Należy zdać so-bie sprawę z faktu, że do betonu hydrotech-nicznego, zawierającego znacznie mniejsze ilości cementu niż beton zwykły, nie wystar-czy po prostu dolać domieszkę upłynnia-jącą najnowszej generacji – konieczne jest również zwiększenie ilości spoiwa oraz za-wartości piasku, aby nie doszło do zjawisk
„bleedingu” i segregacji kruszywa. Oczywi-ście wskazane jest równoczesne ogranicze-nie maksymalnego uziarogranicze-nienia kruszywa.
Fot. © Alessandro Calzolaro – stock.adobe.com
mgr inż. maciej wiśniewski Sika Poland Sp. z o.o.
dr inż. witold Jawański Sika Poland Sp. z o.o.
Po zastosowaniu tych zabiegów receptura betonu hydrotechnicznego zaczyna przy-pominać recepturę betonu zwykłego ze wszystkimi tego konsekwencjami. W przy-padku betonów masywnych pojawia się problem nadmiernej termiki, stąd dodat-kowe tendencje do wprowadzania do re-ceptur popiołu lotnego, aby ograniczyć ilość cementu i ciepło uwodnienia, zachowując jednocześnie dużą ilość spoiwa wymaganą do uzyskania konsystencji i pompowalno-ści. Wzrasta zatem zagrożenie nieosiągnię-cia wymaganej mrozoodporności, a co za tym idzie trwałości betonu hydrotechnicz-nego. Niestety podejmowane są również próby wykorzystania triku z zastąpieniem stopni mrozoodporności M przez równo-ważne liczbowo stopnie F, co często umyka uwadze inwestora lub przyszłego użytkow-nika, a może skutkować radykalnym skró-ceniem okresu eksploatacji konstrukcji, szczególnie w narażonych na wielokrotne zamarzanie i rozmarzanie strefach zmien-nych stanów zwierciadła wody.
Aby pokazać potencjalny wpływ takich obecnych tendencji na mrozoodporność, w 2018 r. wykonano serię badań dwóch ro-dzajów betonu hydrotechnicznego BH25 o uziarnieniu do 32 mm: klasycznego,
tEchnologiE
TECHNOLOGIE tEchnologiE
rys. 3. wpływ konsystencji betonu hydrotechnicznego oraz zawartości popiołu lotnego na wyniki badań stopnia mrozoodporności m200
o konsystencji KH2 wg WTWiO (opad stożka 0–2 cm), przeznaczonego do podawa-nia pojemnikami, oraz pompowego o kon-systencji S4 wg PN-EN [14] (opad stożka 15–22 cm). W betonie klasycznym zasto-sowano cement CEM III/A 32,5 N HSR/
NA/LH w ilości 250 kg/m3, w betonie pom-powym ilość tę trzeba było zwiększyć do 290 kg/m3 oraz podnieść punkt piaskowy z 28 na 33%. Następnie do obu mieszanek dodawano popiół lotny w ilościach kolejno 5, 10, 15 i 20%, stosując doświadczalnie określony współczynnik k = 0,30 i zacho-wując stałe zastępcze W/C = 0,50. Różnice w urabialności kompensowano zmiennymi dawkami domieszek upłynniającej i napo-wietrzającej, tak żeby zachować zakładaną konsystencję oraz napowietrzenie na pozio-mie 4–5%. Po 91 dniach betony poddano badaniu stopnia mrozoodporności M200 metodą hydrotechniczną. Badania i wyniki oraz wnioski szczegółowo opisano w refe-racie [6]. Najważniejsze z nich, ilustrujące wpływ konsystencji oraz zawartości popiołu lotnego na wyniki badań stopnia mrozood-porności M200, pokazano na rys. 31.
Wyniki te można podsumować krótko w następujący sposób:
Klasyczny, pojemnikowy beton hydro-techniczny o konsystencji KH2 osiągnął stopień mrozoodporności M200 przy za-stosowaniu popiołu lotnego w ilości maks.
15% masy cementu CEM III/A 32,5 N HSR/NA/LH.
Po przeprojektowaniu na beton pom-powy o konsystencji S4 beton osiągnął sto-pień mrozoodporności M200 przy zastoso-waniu popiołu lotnego w ilości maks. 5%
masy cementu, i to przy znacznie gorszych wartościach spadku siły rozłupującej.
Należy uznać, że taki beton pompowy w warunkach rzeczywistych (wahania jako-ści kruszyw, zmiany konsystencji oraz napo-wietrzenia itp.) mógłby nie osiągnąć kryte-rium spadku siły rozłupującej poniżej 25%
oraz że jego trwałość będzie nieporównywal-nie niższa niż trwałość równoważnego, kla-sycznego hydrotechnicznego betonu
poda-1 Numeracja ilustracji jest kontynuacją numeracji z cz. I artykułu.
wanego pojemnikami. Nie jest to wniosek nowy, nie bez powodu kraje wiodące w tech-nologii betonów hydrotechnicznych podają w specyfikacjach wymogi stosowania gęstych konsystencji mieszanek oraz wbudowywania ich pojemnikami, samojezdnymi przenośni-kami taśmowymi (telebelts) lub specjalnymi pompami wielkośrednicowymi przystosowa-nymi do kruszyw gruboziarnistych oraz gę-stych konsystencji. Znaczący jest też fakt, że w przypadku bardzo odpowiedzialnych kon-strukcji hydrotechnicznych również produ-cenci pomp nie zalecają ich użycia, natomiast pokazują chętnie referencje z zastosowania przenośników taśmowych, jak np. chiński oddział firmy Putzmeister w publikacji re-ferencyjnej [19] z budowy zapory Xiluodu (trzecia co do wielkości elektrownia wodna na świecie) i podkreślają w niej uzasadnie-nie merytoryczne stosowania gęstych mie-szanek: niewielka ilość cementu, niskie W/C, kruszywo o uziarnieniu do 120 mm, ograni-czenie rozwoju ciepła oraz redukcja skurczu.
kLaSyczny, maSywny beton hydro-techniczny – Jak ProJektowaĆ?
W obecnej sytuacji trudno jest zaprojekto-wać klasyczny, masywny beton hydrotech-niczny, unikając prawnych i merytorycz-nych pułapek spowodowai merytorycz-nych brakiem
jego normalizacji. Można jednak uniknąć wielu z nich, stosując kilka prostych zasad:
Przyjąć jako podstawowy dokument WTWiO [2].
Wprowadzić klasy wytrzymałości ba-dane jak klasy betonu zwykłego wg normy [14], ale tylko wtedy, jeśli ze względów sta-tycznych wymagane byłyby wyższe klasy niż maksymalna wg [2] klasa BH25.
Przyjąć klasy ekspozycji jak dla betonu zwykłego wg normy [14], jednak z za-znaczeniem, że wynikające z nich mi-nimalne ilości cementu należy odnosić do betonu o uziarnieniu maksymalnym 16 mm, a w betonach o uziarnieniu po-wyżej 16 mm można je odpowiednio zre-dukować pod warunkiem osiągnięcia wy-maganej wytrzymałości, wodoszczelności i mrozoodporności (jedną z możliwych metod takiego „dowiązania” betonu hy-drotechnicznego do betonu zwykłego jest np. metoda modelowania granulometrycz-nego opisana w [5]).
Wprowadzić obowiązkowe napowie-trzanie betonu, jeśli wymagana jest jego mrozoodporność, najlepiej do warto-ści podanych w krajowym uzupełnieniu [13] normy europejskiej (te same wartości podane są w projekcie normy branżowej BN-88/6738).
KwiecieŃ 2021 (193) 95
TECHNOLOGIE
Po przyjęciu wymaganego w WTWiO stopnia mrozoodporności F uzależnionego od warunków pracy betonu jednoznacznie zapisać, że beton ma być badany metodą hydrotechniczną i należy osiągnąć stopień mrozoodporności M o tej samej wartości liczbowej.
Przyjąć wymagany stopień wodoszczel-ności W na podstawie [3]. Prawidłowe określenie wymagania maksymalnej głę-bokości wnikania wody w celu wyspecyfi-kowania badania wg normy [17] wymaga sporego doświadczenia, co oznacza, że wy-maganie może być zbyt restrykcyjne.
Zalecić stosowanie jako podstawowych cementów rodzaju CEM III/A, klasy 32,5 N lub 42,5 N z oznaczeniem LH – o niskim cieple hydratacji.
Dopuścić stosowanie popiołu lotnego w ilości maksymalnej do 15% masy ce-mentu w przypadku betonów pojemni-kowych o konsystencji od KH2 do KH3 – w przypadku betonów o konsystencji cie-kłej podawanych pompą ilość tę ograni-czyć do 5% masy cementu.
Zalecić stosowanie maksymalnego możli-wego uziarnienia kruszywa – w przypadku elementów masywnych co najmniej do 32 mm – w celu zredukowania ilości cementu, a tym samym ciepła hydratacji i skurczu.
Narzucić konsystencję i sposób wbudo-wania mieszanki betonowej – klasyczny, masywny beton hydrotechniczny powinien być zawsze wbudowywany w konsystencji od KH2 do KH3 pojemnikami lub przenoś- nikami taśmowymi, chyba że wykonawca dysponuje pompą przystosowaną do mie-szanek o takiej konsystencji.
Wbudowanie pompą w konsystencji bar-dziej ciekłej niż KH3 – jedynie wtedy gdy zastosowanie innych metod nie jest tech-nicznie możliwe.
Przestrzeganie tych zasad doprowadzi do uporządkowania projektowania oraz wykonawstwa, a w konsekwencji osiągnię-cia wymaganej jakości i trwałości mate-riału przy jednoczesnej optymalizacji kosz-tów i zachowaniu zasad zrównoważonego rozwoju (ekonomiczne ilości cementu, niż-szy ślad CO2 oraz dłuższy czas bezawaryj-nej eksploatacji konstrukcji).
Bibliografia
1. M. Batog, Z. Giergiczny, W. Jawański,
Z. Kledyński, J. Szuba, Studium technologiczne beto-nu hydrotechnicznego na bazie wybranych cementów i kruszyw, „Gospodarka Wodna” nr 9/2014, SIGMA-NOT, Warszawa.
2. G. Bialik, Cz. Kempa, W. Misiak, S. Strzemiecki, Warunki techniczne wykonania i odbioru robót w dziedzinie gospodarki wodnej w zakresie kon-strukcji hydrotechnicznych z betonu, Ministerstwo Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa, Warszawa 1994.
3. Cz. Kempa, J. Chrzanowski, Z. Kledyński, K. Łady-żyński, BN-88/6738 Beton hydrotechniczny – projekt normy po ankietyzacji, Warszawa 1989.
4. W. Jawański, Doświadczenia ze stosowania cemen-tów żużlowych w budownictwie hydrotechnicznym, materiały sympozjum naukowo-technicznego
„Beton cementowy w obiektach hydrotech-nicznych”, Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Środowiska/Górażdże Cement S.A., Wydawnictwo Instytut Śląski, Opole 2006.
5. W. Jawański, Modelowanie fizyczne betonów hydrotechnicznych z kruszywem gruboziarnistym, praca doktorska, Politechnika Warszawska, Warszawa 2017.
6. W. Jawański, Wpływ popiołu lotnego na mrozood-porność strukturalną masywnego betonu hydrotech-nicznego, referat na X Konferencję „Dni Betonu 2018”, Polski Cement, Kraków.
7. W. Jawański, A. Michalik, R. Stachowicz, Wpływ do-boru cementu i piasku na charakterystykę napowietrze-nia oraz rzeczywistą mrozoodporność pompowalnego betonu mostowego, referat na X Konferencję „Dni Betonu 2018”, Polski Cement, Kraków.
8. Z. Kledyński, Kilka uwag o betonie hydrotechnicz-nym w aspekcie normalizacji, „Gospodarka Wodna”
nr 5/1988, SIGMA-NOT, Warszawa.
9. Z. Kledyński, Beton hydrotechniczny w świetle aktualnych wymagań normowych, „Gospodarka Wodna” nr 10/2005, SIGMA-NOT, Warszawa.
10. K. Ładyżyński, Specyfika projektowania i produk-cji betonów hydrotechnicznych oraz wykonaw-stwa budowli wodnych, materiały sympozjum naukowo-technicznego „Beton cementowy w obiektach hydrotechnicznych”, Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Środowiska/
Górażdże Cement S.A., Wydawnictwo Instytut Śląski, Opole 2006.
11. W. Pichler, Langzeitverhalten von Talsperrenbeton,
„Oesterreichische Wasser- und Abwasserwirt-schaft” 7-8/13, Springer Verlag, 2009, https://
link.springer.com.
12. PN-88/B-06250 Beton zwykły, norma archiwal-na, wydanie 2, PKNMiJ, Warszawa 1993.
13. PN-B-06265:2018-10 Beton. Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność. Krajowe uzupełnienie PN-EN 206+A1:2016-12, PKN, 2018.
14. PN-EN 206+A1:2016-12 Beton. Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność, PKN, 2017.
15. PN-EN 12390-2:2011 Badania betonu. Część 2:
Wykonywanie i pielęgnacja próbek do badań wytrzymałościowych PKN, 2011.
16. PN-EN 12390-3:2011 Badania betonu. Część 3:
Wytrzymałość na ściskanie próbek do badań, PKN, 2011.
17. PN-EN 12390-8:2011 Badania betonu. Część 8:
Głębokość penetracji wody pod ciśnieniem, PKN, 2011.
18. Standard Specifications for Concrete Structures – Dam Concrete, 2010, JSCE Guidelines for Concrete No. 18, Japan Society of Civil Engi-neers, Tokyo 2007, https://jsce.or.jp.
19. Zhu Qifeng, XiLuoDu Dam Project, Telebelt TB110G at the World’s Third Largest Hydropower Station, materiały informacyjne firmy Putzme-ister, Good News nr 100818, 2009, https://
putzmeister.com.cn.
20. A. Żabówka, Kilka uwag o praktyce zapewniania trwałości betonów hydrotechnicznych, materiały sympozjum naukowo-technicznego „Beton cementowy w obiektach hydrotechnicznych”, Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Środowiska/Górażdże Cement S.A., Wydaw-nictwo Instytut Śląski, Opole 2006.
wnioSki
Nie po raz pierwszy w artykule na temat be-tonów hydrotechnicznych w podsumowaniu należy wymienić następujące punkty:
Dobrze zaprojektowany i wykonany be-ton hydrotechniczny, szczególnie masywny, zawierający kruszywo gruboziarniste, jest materiałem spełniającym założenia strate-gii zrównoważonego rozwoju w sposób bar-dziej spektakularny niż beton zwykły – za-wiera mniej energochłonnych składników, a jego okres oczekiwanej eksploatacji jest co najmniej dwa razy dłuższy.
Zaniedbanie normalizacji betonu hydro-technicznego w Polsce doprowadziło nie-mal do jego degradacji do poziomu betonu zwykłego, co może długofalowo zagrozić trwałości budowli wodnych.
Minęło ćwierć wieku od opublikowania ostatniego dokumentu WTWiO w miarę kompleksowo obejmującego problematykę betonu hydrotechnicznego. Dokument ten powinien być jak najszybciej zaktualizowany.
W Polsce mamy długą i chlubną trady-cję normalizacji branżowej, projektowania i wykonawstwa betonu hydrotechnicznego, która obecnie wydaje się niewykorzystana, jeśli wręcz nie lekceważona.
W artykule przedstawiono istotne pro-blemy i zagrożenia, mimo to nadal jesteś- my w stanie projektować i wykonywać trwały, klasyczny beton hydrotechniczny, podtrzymując piękną historię i tradycję polskiego budownictwa wodnego.
Artykuł ukazał się w książce „Monitoring i bezpieczeństwo budowli hydrotechnicz-nych”, wydanej przez Instytut Meteoro-logii i Gospodarki Wodnej pod red. Jana Wintera.